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无人机移动自主回收着陆原理及控制方法

机械工程学报 2024年第3期60卷 34-46页

作者：汪首坤许永康陈志华司金戈李斌王军政北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京100081 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌330063

针对无人机回收存在着陆点相对固定、被动回收、灵活性及环境适应性较差等问题,提出了一种无人机全自主的地面移动回收原理,主要包括目标定位、动态轨迹跟踪和的主动柔顺承接,实现野外复杂环境下自主化的无人机动态移动回收。首先,针对... 详细信息

针对无人机回收存在着陆点相对固定、被动回收、灵活性及环境适应性较差等问题,提出了一种无人机全自主的地面移动回收原理,主要包括目标定位、动态轨迹跟踪和的主动柔顺承接,实现野外复杂环境下自主化的无人机动态移动回收。首先,针对难以精确获取无人机动态位置的问题,提出了多传感器信息融合定位和伺服转台聚焦跟踪的目标定位方法;其次,为完成对无人机的快速高精度跟踪,提出了基于无人车和Stewart平台的双级跟踪控制策略;最后,为了解决无人机着陆过程冲击大、重心失稳等问题,设计了基于模型预测的平稳性控制算法和基于自适应变阻抗的柔顺控制算法,在实时调整承接面位姿的同时做到了主动柔顺承接。搭建了由目标定位系统、无人车和Stewart平台组成的原理样机,验证了本原理的可行性及控制算法的有效性,该方案和技术已成功运用于某型号固定翼无人机自主回收。

关键词：无人机移动自主回收目标定位动态轨迹跟踪柔顺承接

基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略

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机械工程学报 2024年

作者：杨少坤王军政沈伟刘冬琛林乾烨北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京理工大学自动化学院

针对并联式三自由度稳定平台姿态稳定控制的系统非线性、外部姿态扰动及系统滞后等问题，提出一种结合快速终端滑模控制(Fast terminal sliding mode control, FTSMC)与复合前馈控制的平台稳定控制策略。快速终端滑模控制方法提高电动... 详细信息

针对并联式三自由度稳定平台姿态稳定控制的系统非线性、外部姿态扰动及系统滞后等问题，提出一种结合快速终端滑模控制(Fast terminal sliding mode control, FTSMC)与复合前馈控制的平台稳定控制策略。快速终端滑模控制方法提高电动缸位置跟踪时的抗扰动能力及跟踪精度，复合前馈控制策略在平台运动学模型反馈控制基础上引入了前馈控制策略，可有效提高系统的响应速度，补偿平台检测环境扰动及稳定控制等环节引起的滞后。针对高负载工作时高能耗的问题引入了气平衡结构，提高平台负载能力，节约能源，并在滑模控制策略中对气缸扰动进行相应补偿。提出的控制策略进行了仿真及实物平台验证，结果表明提出的控制策略最高环境扰动衰减量可达92.1%，且具有更高的响应速度及稳定控制精度，气平衡结构节能效率最高达到38.8%。

关键词：并联式稳定平台滑模控制前馈控制姿态稳定节能

基于非线性逆迟滞模型的液粘智能调速控制方法

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机械工程学报 2024年

作者：汪首坤王晓军王亮汪浒江王涛郭刘洋北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室

液粘调速系统软启动和无级调速的优点使其应用广泛，但其固有的死区、滞环等非线性特性增加了控制难度。针对液粘离合器的死区和滞环特性，研究一种基于非线性逆迟滞模型的液粘离合器智能调速方法。首先，利用主迟滞回线数据对液粘离合... 详细信息

液粘调速系统软启动和无级调速的优点使其应用广泛，但其固有的死区、滞环等非线性特性增加了控制难度。针对液粘离合器的死区和滞环特性，研究一种基于非线性逆迟滞模型的液粘离合器智能调速方法。首先，利用主迟滞回线数据对液粘离合器建模，经过非线性映射得到次迟滞回线信息，主迟滞回线和次迟滞回线共同构成逆迟滞模型；其次，以逆迟滞模型为前馈环节、自抗扰控制器为反馈回路，设计调速方案，将非线性系统补偿为伪线性系统，以减小滞后和死区，提高控制精度。经过台架试验验证，所提出的控制方法可以减小系统死区，扩大有效控制区间；将系统的非线性度由40%～60%降低至20%以下；补偿系统固有滞后，使系统的迟滞量由开环控制下的40%～50%降低至逆补偿闭环控制下的15%；转折点滞后时间小于1 s；增强系统的动态性能，抑制输入转速波动对系统的影响。

关键词：液粘调速系统非线性特性滞环特性逆迟滞模型自抗扰控制

泵控电液伺服系统基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制

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机械工程学报 2024年

作者：牛善帅王军政赵江波沈伟伺服运动系统驱动与控制工业和信息化部重点实验室北京理工大学自动化学院

针对泵控电液伺服系统中存在的未知死区特性、参数不确定性以及未知干扰，提出一种基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制方法。建立泵控系统模型，分析系统中存在的死区非线性，并构造连续可微的近似死区逆函数对死区进行补偿。利用反步法... 详细信息

针对泵控电液伺服系统中存在的未知死区特性、参数不确定性以及未知干扰，提出一种基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制方法。建立泵控系统模型，分析系统中存在的死区非线性，并构造连续可微的近似死区逆函数对死区进行补偿。利用反步法设计自适应鲁棒控制器，合成自适应律进行参数估计，处理包括死区参数、系统参数以及干扰上界在内的参数不确定性；利用非线性鲁棒反馈进行未知干扰抑制。通过Lyapunov稳定性分析表明，在未知死区特性、参数不确定性以及未知干扰同时存在的情况下，所设计的控制器可以实现渐近跟踪。对比试验结果验证了所提出控制方法的可行性和优越性。

关键词：自适应控制鲁棒控制死区补偿泵控系统电液伺服系统

基于命令滤波和神经网络的电液伺服系统有限时间反步控制

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控制理论与应用 2024年

作者：牛善帅王军政赵江波沈伟北京理工大学自动化学院自主智能无人系统全国重点实验室(北京) 伺服运动系统驱动与控制工业和信息化部重点实验室

为提升电液伺服系统的跟踪控制性能,本文考虑系统中包括参数不确定性、未建模动态以及外部扰动在内的集总不确定性,提出一种基于命令滤波和神经网络的有限时间反步控制方法.该方法利用Levant微分器作为命令滤波器,获取虚拟输入变量与虚... 详细信息

为提升电液伺服系统的跟踪控制性能,本文考虑系统中包括参数不确定性、未建模动态以及外部扰动在内的集总不确定性,提出一种基于命令滤波和神经网络的有限时间反步控制方法.该方法利用Levant微分器作为命令滤波器,获取虚拟输入变量与虚拟控制律差分信号的导数,不仅避免了标准反步控制中的”复杂性爆炸”问题,还通过重构实现了对非匹配不确定性的估计;同时与传统基于神经网络的反步控制需要多个神经网络相比,该方法仅利用1个神经网络来逼近匹配不确定性,避免了多个神经网络所导致的控制器的复杂性和脆弱性.另外,通过引入由分数指数幂函数和多项式函数构成的分段函数反馈以加速收敛,系统实现有限时间稳定的同时避免了奇点问题.最后,搭建实验平台开展对比实验验证新方法的有效性和优越性.

关键词：命令滤波神经网络有限时间稳定反步控制电液伺服系统

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共旋框架下二维柔性多体动力学分析策略

振动工程学报 2024年

作者：季奕伍洋张慧敏孙光辉北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京应用物理与计算数学研究所中物院高性能数值模拟软件中心哈尔滨工业大学航天学院自主智能无人系统工信部重点实验室北京宇航系统工程研究所

针对具有强非线性和大范围运动的柔性多体系统，建立了一种精确且高效的动力学分析策略。在共旋坐标系下对柔性体进行动力学建模，再利用一种优化复合方法对建立的数学模型进行求解。由于动力学模型建立在共旋坐标系下，因此现有的先进... 详细信息

针对具有强非线性和大范围运动的柔性多体系统，建立了一种精确且高效的动力学分析策略。在共旋坐标系下对柔性体进行动力学建模，再利用一种优化复合方法对建立的数学模型进行求解。由于动力学模型建立在共旋坐标系下，因此现有的先进线性空间单元可以被直接使用，从而大幅降低计算成本。此外，为了准确地计算动力学响应，本文使用了一种优化复合方法，并以最小化局部截断误差为目标对算法参数进行优化设计。优化后的复合方法具有二阶精度、无条件稳定性和可控数值耗散。最后，本文对一些经典的柔性多体系统进行计算，结果表明：在相同的精度下，与目前流行的基于绝对节点坐标公式和Generalizedα方法的动力学分析策略相比，本文策略具有显著的效率优势。

关键词：多体动力学柔性多体系统共旋框架参数优化复合方法

融合视觉里程计和BP神经网络的自适应行人航迹推算方法

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中国现代教育装备 2024年第7期 27-32页

作者：李晋陈威刘羽鹤高瑞雪冯立辉北京理工大学北京学院北京102401 北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室北京100081 北京理工大学集成电路与电子学院北京100081

当前行人导航定位技术被越来越广泛应用于民用XR领域和军用单兵作战系统,其对定位追踪精度和复杂环境下系统的鲁棒性提出了更高要求。提出了一种融合视觉里程计(Visual Odometry,VO)、反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network... 详细信息

当前行人导航定位技术被越来越广泛应用于民用XR领域和军用单兵作战系统,其对定位追踪精度和复杂环境下系统的鲁棒性提出了更高要求。提出了一种融合视觉里程计(Visual Odometry,VO)、反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BP)和行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)即联合视觉的行人航迹推算里程计(Visual PDR Odometry,VPO),并基于此进行扩展卡尔曼滤波。利用胸口装备惯性传感器和RGB-D深度相机采集行进数据,输入VO和PDR模块得出各自的运动位姿。将有效的步长、航向角、加速度幅值、角速度平均值及步频作为BP神经网络的训练数据集进行网络训练。当VO失效时,BP计算数据可作为备选观测值,将其与PDR数据一起导入扩展卡尔曼滤波器中进行数据融合。实验结果表明,行人航迹误差为1.026‰,优于经典VO和PDR推算方法,能在复杂环境下提高系统的鲁棒性。

关键词：行人航迹推算视觉里程计反向传播神经网络扩展卡尔曼滤波

基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法

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机械工程学报 2019年第1期55卷 17-24页

作者：刘冬琛王军政汪首坤彭辉北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室北京100081 北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京100081

搭建了电动并联式轮足机器人的运动学模型,在单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下完成了间歇步态和旋转步态的基本步态设计,保证机器人在大负重情况下的全方位稳定行走。分析了机器人运动速度矢量与不同基本步态之间的对应关系。提... 详细信息

搭建了电动并联式轮足机器人的运动学模型,在单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下完成了间歇步态和旋转步态的基本步态设计,保证机器人在大负重情况下的全方位稳定行走。分析了机器人运动速度矢量与不同基本步态之间的对应关系。提出了基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法,分析了步态切换的最佳时机,详细介绍了不同种步态之间的步态切换过程。通过虚拟样机和物理样机试验平台对本步态切换方法进行仿真分析和试验验证。仿真与试验的结果表明,电动并联式轮足机器人在基本步态行走和步态切换过程中,稳定裕度始终不小于零,且机器人机身的横滚角和俯仰角分别在–1.5°～4°和–2.8°～2.5°范围内变化,该方法能够保证电动并联式轮足机器人稳定的完成步态切换。

关键词：步态切换四足机器人速度矢量稳定裕度

融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制策略

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机械工程学报 2021年第9期57卷 19-27页

作者：郑怀航王军政刘冬琛汪首坤北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室北京100081 北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京100081

针对并联式结构平台姿态稳定时对高频扰动信号跟踪的响应滞后以及负载、摩擦力等非线性因素等影响稳定精度问题,提出了一种融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)控制策略。通过对电... 详细信息

针对并联式结构平台姿态稳定时对高频扰动信号跟踪的响应滞后以及负载、摩擦力等非线性因素等影响稳定精度问题,提出了一种融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)控制策略。通过对电动伺服缸、平台运动学建模,得到了电动伺服缸状态方程和平台稳定时电动缸位移与电动机电流控制量转化关系。基于ADRC扩张状态观测器对伺服电动缸在时变摩擦力和负载力等干扰下进行观测并补偿,并采用非线性跟踪微分器改善控制过程中电动机的超速报警与快速性之间的矛盾。最后将姿态预测方程与前馈控制相结合,提高了系统的响应速度,减小了稳定平台跟踪误差。在具有俯仰、横滚和垂直平移三个自由度的并联式稳定平台上进行仿真与试验,相比传统PID或ADRC控制方法,提出的控制策略不仅使稳定平台有很强的抗负载扰动能力,而且具有更快的响应速度和更高的稳定精度。

关键词：稳定平台自抗扰控制前馈姿态预测